全 文 ：第 19卷第 2期
1999年 3月
生 态 学 报
ACTA ECOl OG1CA S1 ICA
Vot．]9．NO．2
M ar ，1 999
半干旱黄土高原集水高效旱地农业的发展
，一z
2 7
摘要 黄土高腻半干旱区传统水土保持型农业的发展已有数 芷的所程 ，已基本趋于成熟，但对水 肥热的调
控能力报低，难于发展高附加值作物生产，目此生产敛益低下．难 走上良性发展的轨道 ．不能解决 目前遇到
的实际问题 通过近几年来的探索，认为，在传统水土保持农业的基础上，进一步发展雨养农业最有效的途径
就是^工富集天然降水，将富集的降水用于农业生产，可 大提高降水的利用效率和生产效益，这就是集
水农业 ，是今后半干旱区雨养农业发展的一个重要方向
蓑键词 薹主矗凰、堡苎：至 、呈垫盔I业：拳 盔业一
THE RAINW ATER HARVESTING TECHN0L0GY APPR0ACH
F0R DRYLAND AGRICULTURE IN SEM I—ARID
L0ESS PLATEAU 0F CHINA
I 1 Feng Min WANG Jing 匿匦 五
(State Key Laboratory Agroeeology，Lanzhou University，Lanzhou，730000，China)
Abstract The traditional water— soil— conserving agriculture has been developed for several
decades．However，its regulative roles in water，fertility and temperature，were very limit
ed．W e think that the practicable approach is to harvest and stored rainwater artificially，
and to supply limited irrigation at the key stage in crop developm ent．This paper reviewed
the research progress in rainwater—harvesting technology applied in crop production．It is
suggested that this technology will become one of the major directions of dryland agricul—
tUre in Northwest Chjna．
Key words loess plateau，rain water use，dryland farming，rainwater harvesting teehnolo
gY·
1 传统旱地 农业的分析
我国西北地区旱地农业曾经有过辉煌的过去，今天的旱农技术渊源流长，与过去一脉相承。就建国以
来 ，可 粗略地分为两个阶段。在 5O、6O年代 ，旱农研究的中心议题是总结推广几千年来群众创造的旱地
农业耕作经验 ，通过技术组合 ，提高土壤的蓄水保墒能力 ，建立旱农耕作栅度 在 70、80年代 t 平 田整地
国家 九五 科技攻关资助项 目(96 020。1—02 o2)
**通 讯联 系^ ，Emat：fmli@ Izu edu cn
收精日期：1 996 10—18似 改稿收到日期：1997’07 03
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为目标修筑梯 田，随后叉提出进行小流域综合治理 =在这些工作中始终贯穿的一个基本思想就是接纳尽可
能多的天然降水就地入渗 ，以此来提高天然降水的利用率和作物 生产力。最近十多年来被农学家、土壤学
家、生态学家和水土 I果持学家总结为“水士保持型农业”(简称水保型农业)
建国 40多年来 ，国家在以水土 保恃 勺中心的旱地农业 中投入了巨大的人力和财力，但是 黄土高原水
土流失状况并未根本好转，f旱凡沙、暴雨洪水、水土流失仍然制约着经济发展郓人民生活的改善。特别是
黄河 中游多粗沙区治理进展缓慢 ，水土流失严重 ， 少支流入黄泥沙并未减少” ，粮食 生产水平的低而不
稳也没有从根本上得到改善。
在半湿润的黄土 高原旱农地区 ，匀．降水 一般都在 550ram 上，如果能 充分接纳天然降水 ，使其就地
入渗 ，可 基本满足一年一熟作物的需水量 ，在一年两熟的地区，由于降水量也有一定的增加，如果接纳
天然降水郓减少工壤表面蒸发的措旆实施得好 ，即使有部分水分 亏缺 ，也并不十分严重。这是传统水保型
农业得 发展的基础。然而，在年均降水量 400ram 左右的半干旱地区，不但年降水量少，而且降水的年变
率和季节变率增太，完全依靠接纳天然降水就地入渗的做法已经得不到所预期的效果。
半干旱地 区土壤无效蒸发量增大 。在典型半干旱地 区的甘肃农业科学研究院定西试验站所做试验表
，在 0～200cm土壤中垒年休闲地块只比豌豆地块 多贮水 7．7ram。宁夏盐池年降水量为 291．5mm，由
于接近沙漠边缘而风沙很大，在土壤表面覆盖有一个细沙层可以抑制土壤 表面的蒸发，剪去所有地被物，
阻断植物蒸腾 ，1988年 5月 1日到 l0月 31日 0～200cm 土壤 中的水分仅仅增 加 75．3ram，只占同期降水
量的 29 。在半干旱地 区，体阚期土壤蒸发可占到同期 降水量的 60 ～8O ，半干旱偏旱地 区达到 72
～ 98 ，在半湿润地 区为最低 ，但也要达到 60 。在作物生长季节 ，棵地和种植作物地的年耗水量基本相
同。甘肃定西属于典 型的半干旱地区，年均降水量 420mm左右，其降水总量 已经超过本地区主要粮食作物
春小麦的需水量 。但是，小麦生长季的实际降水量一般其占全年降水量的一半左右，在有较好的蓄水耕
作措旆保证时 ，非生长季节降水的有救利用率只能达到 40 左右 。即每年平均供给小麦的可接纳降水量
是 420X 50 -}-420X 50 X 40％ 294mm。这就是本地置传统水保型农业理论上所能达到的极限 全年降
水中约有 30 属完全无数，无论如何都不能为小麦所利用，致使春小麦每年平均水分亏缺达到 24 。再加
上降水的年变率和季节变率都较大的不利因素，产量的低而不稳就成为必然。
培肥地力可以提高产量已成为人们的共识。但培肥地力又是以土壤水分状况的改善和第一性生产力
的提高为基础 的。在干旱土壤 中团粒结构较差 ，营养成分直接和空气接触 ，很快氧化损失。有机质是肥力的
重要基础和指示剂 ，但是，如果没有第一性 生产力的显著提高 ，不仅不会有更多的有机质投入 ，就连最起码
的草根也会被拔出来当柴烧掉，不会有能力提高土地的有机质含量。而提高第一性生产力首先需要解决的
就是水的问题 。然而 ，传统水土保持型农业虽然可 在一定范围内控制降水 的无效径流 ，但在半干旱地 区
即使这种措旆非常有敏 ，土壤水分状况 的改善仍然非常有限。因此，在这种背景下培肥地力只能是一句空
话 ，在小范围内的样板田示范尚 _可，而在大范围内用于开发和稳定提高粮食生产水平却是根困难的
在干旱年份，梯 田水分状况的恶化同时也导致土壤肥力的迅速下降，对梯 田的增产作用产生重要 影
响 。从定西水保站 6O年代的测定结果可以看出(表 2)口]，1962 1965年的降水量 为中等偏上 ，梯 田的增产
作用很明显 ，而 1966年为一个严重干旱年份，梯 田的增 产作用基本为零 ，1967年又是一 个少有的丰水年
份 ，但其增产作用却不高 ，而耗水最数却达 J丁最高峰(甚至高于严重干旱的 1966年) 一个台乎逻辑的推
论就是 ，由于前一年 的严重干旱 ，梯 田水分状况严重恶化 ，导致肥力水平也迅速下降，以致于在 1967年这
样少有的 丰水年份肥力水平也难于迅速恢复和提高 ，最终导致增产幅度较低的结果。由于梯 田存在这样的
水肥协 同作用 ，产量的波动就变得更为剧烈。在本倒中，梯田产量的变异系数是 108．5 ，而坡耕地 的变异
系数 为 40 8 。
梯田对水肥的保持能力和增产作用在正常或较高降水量水平上 ，一般是比较明显的。但在降水量较少
的干旱年份 ，这种作用很低甚至还有负作用。正常年份梯 田的水分状况一般优于坡耕地 ，1963年(降水量
530ram)6月 4日至 9月 12日在定西安家坡 9次测定，有 8次梯田土壤水分高于坡耕地 。而在干旱年份如
1960年 (降水量 396．8ram)5月 1 2日至 10月 5日1 0次}则定平均坡耕地优于梯 田 ]。梯田是在山坡上 由多
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2期 李凤民等 ：半干旱黄土高原集水高效旱地农业的发展 261
个小面积的水平地块组成的．每 个水平地块都相应有一个垂直壁．水平地块和垂直壁以厦 山坡共 同形成一
个直角三角形 固为三角形任何两边之和揶大于第三边 所以 ，梯田的蒸发面积必然大于坡耕地 。在正常
年份，坡耕地上的无效径流较多 ，梯田将这些无效径流拦蓄后就可以明显改善土壤水分状 况．而在干旱年
份 ，坡耕地的无效径流较少，梯 田通过拦 蓄径流米改善土壤水分状况的作 用很低 。再加上干旱年份一般都
伴随着更为严重的空气干旱．蒸发 力高 ，梯田j己具有较大的蒸发表面积 。所以．在这种情况下出现梯田水分
状况次于坡耕地的现象是 正常的 。但对作物生产却构成 了更为严重的威胁 。
表 l 定西水保站梯田与披耕地产量与耗水的比较嘲
Table 1 A comparison in yields and water use between terraced fields and slopplng fields in Dingxi，Gansu
R／T,V{为降水量嗣产量之 比。类似干耗水系数．The ratio of raiMa[1"tO yield。similar th wat⋯ 强 index．
总之，在传统水保型农业的背景下 ，半干旱地区土壤水分和肥力的改善还远远不能满足主要大田作物
的需求，同时．一些耗水型或要求有稳定水分供应的经济植物由于缺水而无法得到发展．经济效益低．农民
向农业的主动投入较少 ．很多水土保持措施难以有效推广，反过来叉严重限制了其 自身的发展 传统水保
型农业在建国后已经发展了几十．年。其理论和实践都已经趋于成熟。要改变这一地区的贫穷落后面貌．雨
养农业的继续发展必颓变革旧的指导思想 ，寻找新的生长点。
黄土高晾半干旱区缺水是根本同题 土壤侵蚀 、生产 力低而不稳等一系矾问题的最终 原圆都是缺水。
要想使这一地区农业生产力提高和稳定必 须解决水的问题 黄土高原大面积远距离调水的可能性很小 ，地
表水资源和地下水资源叉十分贫乏 。这就决定 了发展雨养农业的必然性 通过近几年来的探索 ．在现有条
件下，本地区进一步发展雨养农业最有效的途径就是：就地人工富集天然降水 ．将富集的降水用于农业生
产 这就是集水农业 。
所谓集水农业 ．即利用人工集水面或天然集永面形成径沉，将径流储存在一定的储水设施中以供必要
时的有限崔溉，或者将径流引向一定的作物种植区。使降水在一定面积内富集叠加．大幅度改善植物种植
区的水分状况 ，降低作物耗水 系数．充分发挥环境资源和水肥生态因子的协 同增效作用 。提高农业生产力
水平
集水农业中的土地利用基本上可分为两部分，即集球面区辅作物种植医。集水面的 目的就是产生最大
径流和最小人渗。在特殊处理过的槊水面上土壤侵蚀极小．即使不对土壤表面进行任何处理．因为径流要
充舟利用．所以。它所携带的土壤仍然不会流失．其中的营养成分也会得到重新利用。作物种植区为水肥富
集区．集约程度高，管理完善，更不会出现无效径流 。因此 。它可以更为严格地控制水土流失 。另外 ，由于种
植区水分资源富集，可以有效地减少土壤表面蒸发和作物耗水系数 ．提高水分利用教率 在干早年份 。这种
措撼可以有救地酶治土壤水分的严重亏缺 ，保持土壤肥力．为获得较高产量创造条件。因此 ，集水农业完垒
可以在水土保持和 获得高产稳产方面发挥重要作用
2 关于羹水农业的构思
集水农业 仍然属于雨养农业 的范畴 ，它与传统水土保持埋【农业的根本区别就在于后者主要是被 动地
接纳天然降水。使其就地八渗 ．在时间和空间上缺少主动调节能力．在以高降水变率著称的半干旱地 区．遇
到干旱季节和干旱年份(即天然降水与作物需水严重错位的情况下)就显得无能为力．而这种情况几乎年
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年出现口 ，集水农业所突出的就是降水在时间和空间上的可调性，强调水分利用的主动性，以主动抗旱策
略解决降水供需错位和提高有限环境中的资源丰度问题 ，实现环境效益、经济效益和社会效益综合提高
从总体技术体 系来看 ，集水农业可 由 3部分组成：集水工程子系统 农艺工程子系统和社会经济与管
理子系境。集水工程子系统应包括降水的富集技术，存储技术 ，提 灌技术 及犬 田就地富集叠加技术 。该子
系坑的主要功能是如何 以较低的成率得到质量较高的水 表艺工程于系统所要完成的就是要把集水工程
子 系统所得到的水资源迅速高教增值 ，变成农产品。在农艺工程子系统中 ，尽管它的内容和技术路线复杂
多样 ，但归纳起来不外乎初级生产和次级 生产两类技术系统 ，在永 资源得到较大改善的前提下，结台其它
资源的优化组合 ，大幅度提高农畜产品产量和质量是币难的 。集水表业是 一个相对高投入高产出的农业 ，
这种生产系统决不可能以生产出丰富的农产品作 为最终 目标，而是要捷农产品走向市场 ，发展商品经济
以最磐推动整个社会经济的发展。因此，这就需要在现有条件 并不好的地区培育市场 ，弓I导农民的生产，由
小农经挤向商品经济过渡 这就是社会经济与管理子系统。
富集天然降水在西北地 区有着悠久的历史传统 ，技术途径也有多种 ]，但基本上可以 归为两大类 ；一
娄 是采取储水工程富集，即将集水面上的降水集中在一个储水容器 中(我国西北黄 土高原的水害最 为典
型)，在作物需水的关键期进行有限补充灌溉。这类方法可 大大提高水分利用中的时空可调性 ，特别有利
于发展高附加值的经济作物生产；第二娄途径是直接将集水面上的降水集流并存储到土壤 中，而达到使降
水就地富集迭加的 目的。
集水农业背景下水肥热条件可以在很大程度上受人为控制，人们可以根据需要刨造出多种不同的水
肥热组 合，这就为弓l入各种 价值较高的经济植物创造了条件。黄土高原 ，特别是半干旱地区 ，由于昼夜温差
大 ，光照条件好 ，有利于光合产物的积累，这是较大幅度地提高产品质量和产量的有利条件。因此 ，发展高
价经济植物，提 高整十农业生产过程 的经济效益便由传统水龈型农业 的无能为力变 为集水农业中的尢有
可 为，为整个农业和农村发展注入新的活力
黄土高原半干旱区畜牧业一直占有较强的优势 ，大 量研究都已经指 出应当发挥这种优势。然而，随着
时间的推移和人口的增加 ，粮食生产和畜牧业生产争地的矛盾却 口益突出 ，退耕还牧问题喊了十几年 ，但
效果甚微 在集水农业中 ，由于粮食单产的大幅度提高，种植面积即可相应减少，又由于高价经济植物的弓1
种栽培 ，较大幅度地提高经济效益 ，这就为退耕还牧 、调整和优化产业结构创造了较为宽橙的前提条件 ，在
市场经济的推动下，农民可以自发地调整产业结构，使其趋于优化。可 预见，集水农业作为雨养农业一个
新的生长点，将在经济效益、社会效益和生志效益三方面协调发展，对黄土高原半干 旱区整十农业和农村
发展起到重要的推动作用Ⅱ。 。
3 纂木农业的发展
3．1 集水农业发展的基础
本地区相对地广人稀，人均耕地 面积远高于全国水平 ，主要问题是单产低 而不稳。利用 一定的可耕地
或荒地修筑集水面或田问微型集水工程．提高粮食单产是完全可以实现的 。黄土高原缓坡丘陵的地形是大
自然赔予的天然集水面，稍由Ⅱ修饰即可用柬集水．较大的地势差可为自流建溉提供可能 同时，还可利用遭
路 、场院、庭院等场所进行集水 深厚的黄土母质为降水的集存创造了 良好的条件 频率较高的大(暴)雨叉
可大大提高降水的富集效率，大范 围的低产现状和很低的大 气湿度有利于提 高有限供水的增产效益和水
分利用效率
传统水土保持农业所需要解决的是水土保持措施同粮食生产的高产高效找到一个结台点，促进良性
循环的建立 集水农业的出理就是一个很好的结台点，完全有可能在获得 良好的水土保持效果的同时使
农业生产得到高产高效 同时，传统水土保持措施已经相当完善 ，为集水农业的发展奠定 了良好 的基础条
件 在黄土 高原典型半干旱地 区，降水在 下垫 面的分配比倒大致是 20 ～25 用于第一性 生严 ，l0 ～
l5 形成径流，水土流失，6o ～75 为无效蒸发Ⅲ。在这里，形成径流和无效蒸发的水分实际上就是集水
农业的主要利用对象，表明有充足的水量可用。在技术上西北老百姓有上千年 的水窖集水经验 ，再加上现
代科学技术，构筑速度加快，质量提高 节水鞋溉措藏的实用化，市场经济的活跃为实现商品利润奠定 基
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础，为资源优化组台和市场发育的顺利完成创造 r条件。
3．2 集水农业的田间试验
在粮食作物生产方面，作者在甘肃定西进行的有限灌溉试验表明 ，在丰水的 1993年春小麦孕穗期
浇水 1次，分蘖期和孕穗期浇水 2次，Ⅱ及分蘖期 、拔节期和孕穗期浇水 3次 ，每次浇水量均 为 34．6ram，籽
粒产量分别 比不浇水处理增 产 28．2 ，36．8 ，和 49．7 ，产量水平分别达到 4 703，5018和 5490kg／hm ：
1994年 为干旱年份，于分 蘖期浇水 l嵌，分蘖期 、拔节期和扬花期浇水 3发 h』及舟 蘖期 、拔节期 、孕穗期和
扬 花期 浇水 4发，籽 粒产 量分 别 增 加 61．2 ，72．2 和 79．0 t产 量水 平 分 别 为 1080t1154和 1199
kg／hm 。同 时，灌溉水 的利用效率 也有大 幅度提高 。1993年试验 不浇水 的处理 水分利 用效率 为 9．9
kg／mm ·hm (以籽粒产量为基础)，而在孕穗期浇水 1次，分 蘖期和孕穗期浇水 2次， 及分 蘖期、拔节期
和 孕 穗 期 浇 水 3次 ，其 灌 溉 水 的 利 用 效 率 分 别 为 29．9kg／mm ，hm ，19．5kg／mm ·hm 和 17．6
kg／mm·hm 。该地区种植玉米由于积韫较低不能正常成熟需要用地膜覆 盖 1991年对地膜玉米灌溉 ’ ，
在玉米生长的大喇叭 El期灌水 75mm，4个品种分别增产 88．39 ，31．34 ，34．1 4 和 19．57 ，灌溉水的
利用效率依次可达 56．6，28．3，29．I和 1 5．3kg／mm ·hm ，产量水平 依次达 到 905]，8901，8576，7001kg／
hm 。尽管品种间存在明显差异 ，但 补充灌溉的巨大增产艘益是显而易见的 梅旭荣等在半干旱的东北辽西
地 区于 1984年(干旱年份)对玉米进行了春灌和冬灌(灌水量均 为 90ram)的 比较研究 “，两个灌溉时间分
别 比不灌溉增产 4．42倍和 6．74倍 ，产量水平分别达到 3900和 5565kg／hm 。1994年在定西采用坑种玉
米Ⅲ，每 坑直 径约 0．35～0．40m，坑深 8～ loom，坑上用地 膜覆盖 ，每坑 种植 3～4株，坑 密度 为每 公 顷
l8000个。坑种玉米的主要原理是坑周围的降水经过地膜流向坑内，使降术在坑内富集迭加 。地 膜兼有增
温、保墒和增墒的三重作用。试验在坑种的基础上，还在玉米初花期补充一定的水量：试验结果表明，坑种
不浇水 、坑种浇水 40ram和坑种浇水 80mm 比平地普通种植分别增产 31．2 ，40．8 和 37 8 ，产量水平
分 别达到 6453，6925和 6777 kg／hm。，两个 坑种 浇水 处理分 别 比平 地等量 浇水 的 处理增 产 36．7 和
37．2
对经济粪植物的集水补充灌溉试验 以梨树 为代表01，1992年在定西进行 。5年生梨园 3十种，3株为一
小区，3次重复。在开花至果实迅速生长期分 4次浇水，每次每抹 1 5kg，每株共 60kg，用简易滴灌和地孔供
承 两种方法将水供应 到地下 40cm深的土壤中 试验结果表明 3个品种 的简易滴 灌分 别增产 57．25 ，
82．69 和 102．58 ，每 株 的产量水 平依 趺达到 26．1 5，34．40和 23．60kg；地孔 供水分 别增 产 27．6 ，
24．9 和 38．65 ，单株产量依次达封 29．7kg，23．35kg和 27．8kg 计算投入与产出比可知 ，简易滴灌和 地
孔供水的平均值分别为 }．84和 5．33 亦即 ，供给约 5kg的承可以得到 lkg的果品，这十效益是相当高的
同时，有限灌溉对果品的品质也有很大的提高 ，有利于形成商品生产 ，提高经济效益 ，推动集水农业 的健康
发展。
3．3 关于集水农业的发展途径
根据近年来的示范试验 ，集水途径 可以概括为 3十 ：1)公路集水 ，这是一个最方便 ，成本又低，羹承 效
率极高的途径，而且潜力很大；2)自然集水面集水，利用黄土地区丘陵地貌特点，一般在川地和丘陵交接地
带都是居民主要聚集点 ，而在这类地区，往往可以利用巨大的丘陵斜坡作为集水面 ，集水量极大 ，既方便集
水 ，又与居民点接近 ，便于农 田生产 ，这里的问题主要是如何释放洪水强大势能和减少泥沙沉积的同题；3
专用人工集水面，有很多优势 ，但成本较高。
根据集水农业 的投入强度和发展规模 ，可以概括出 3种发展模式 ，分别对 应 3种投入强度 ，以符合各
地实际情况：1)温饱水平，以粮食作物为主，采用集承节灌技术，结合现代适用农艺措施，利用合理作物系
统 ，在 较低投入下解决温饱问题；2)中等水平，目标是小康 ，在原有基础较好或粮食生产状况较好的地区，
在 确保粮食生产的前提 下，发展 见效较快 的种植业或养殖业 ，较快地增加农 民收入，增大对农业再生产的
主动投入 ；3)强度干预 ，高投入高 产出模式 ，多种产业综台发展 ， 商品生产和农业 系统 的可持续性 为中心
确定投资和发展方向
3．4 集承农业有着广阔的开发前景
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社会发展是财富的积累过程 集水农业在水分利用上的相对集约化使水土流失得到 了有效控制 ．并使
土壤表面的无效 蒸发得到了有效抑制 ．作物可利用的有效水量大大增加 ．这对旱地农业来说就是一笔可观
的资源财富，通过各种有效途径将资源财富转化为物质财富．就可为社会发展奠定物质基础。
半干旱地区光照充足．热量适 中．大气湿度低 ，昼夜温差大均有利于光台产物的积 累．减少呼吸损失，
提高作物 的产量和质量。西北地区瓜甜果香已是闻名遇尔 ，这里农产品的品质有着独到的优势 。但是 ·这种
优势多年来一直没有得到应有的发挥 ，主要原因还是干旱问题 由于缺水限制了它的发展，形不成规模 ·不
能成为本地区的支柱产业 ，得不到较高的经济效益 。在集水农业背景下．水肥热资潺可以根据人们的需要
进行组合，创造出各种资源组合类 型．大大提高环境资源的丰度，为增加作物种娄 的丰度创造了十分有 利
的条件．在提高作物单产的前提 下，大力发 展高附加值的经济作物提高经济效益便 由无能为力变为切实可
行，为商品化生产奠定基础
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